Kvantelys forbedrer følsomheden af ​​biologiske målinger

I en ny undersøgelse, forskere viste, at kvantelys kan bruges til at spore enzymreaktioner i realtid. Arbejdet samler kvantefysik og biologi i et vigtigt skridt mod udviklingen af ​​kvantesensorer til biomedicinske anvendelser.

De komplekse molekyler kendt som enzymer er ansvarlige for mange processer inde i vores kroppe. Imidlertid, de kan være svære at studere med optiske tilgange, fordi for meget lys vil reducere deres aktivitet eller endda stoppe den helt.

I tidsskriftet The Optical Society (OSA). Optik Express , en multidisciplinær gruppe forskere viste, at lys styres ved enkeltfotonen, eller kvante, niveau kan tillade nøjagtige målinger uden at forstyrre den enzymatiske aktivitet.

"Selvom der kan gå nogle år, før der er opnået praktiske kvantesensorer, denne type proof-of-princip-eksperiment er vigtig, " sagde forskerholdsleder Ilaria Gianani fra Università degli Studi Roma Tre i Italien. "Det hjælper med at udpege de områder, hvor vi kan begynde at opbygge delt viden med andre felter og afslører, hvor teknologiske fremskridt er nødvendige for at gøre fremskridt."

Enkeltfoton kontrol

Når man undersøger biomolekyler, er det vigtigt at undgå at bruge lysniveauer, der kan ændre deres egenskaber eller adfærd. At opnå dette kan være udfordrende, fordi lave lysniveauer måske ikke giver særlig meget information, og støj kan nemt overvinde det svage signal. I dag, enzymer studeres med målinger udført på assays indsamlet fra hovedprøven for at undgå at beskadige prøven med lys. Denne procedure tager ikke kun tid, men forhindrer også direkte observation af enzymerne i realtid.

Forskerne overvandt dette problem ved at udvikle et setup, der gjorde det muligt for dem at styre lyset ekstremt præcist - på niveau med en enkelt foton. Dette gjorde det muligt at bruge lav belysning uden at forstyrre enzymerne, med potentiale til at opnå en bedre følsomhed. Muligheden for at adressere prøven direkte tillod også dynamisk sporing med højere opløsning.

"Nøglen til vores succes var et samarbejde mellem kvantefysikere, der ved, hvordan man håndterer fotoner, og biologer, som ved, hvordan man håndterer biologiske systemer." sagde Gianani. "Selvom det var svært at udveksle ideer i starten, teamet voksede til sidst sammen og udviklede et fælles sprog, der hjalp arbejdet med at skride frem. Dette samarbejde ville ikke have været muligt uden supervision af prof. M. Barbieri, hovedefterforsker for Quantum Optics Group."

Sporing af enzymaktivitet

Forskerne brugte deres nye teknik til at spore ændringer i chiraliteten af ​​en saccharoseopløsning på grund af aktiviteten af ​​et enzym kendt som invertase. Sporing af chiraliteten - et givet molekyles evne til at rotere lysets polarisering - giver information, der kan bruges til at bestemme, hvor mange molekyler af saccharose, der er blevet behandlet af enzymerne. Forsøgene viste, at kvantelys kan bruges til at sondere enzymaktiviteter i realtid uden at forstyrre prøven.

"Dette arbejde er blot et eksempel på, hvad kvantesensorer kunne gøre, " sagde Gianani. "Kvantesensorer kunne bruges til optimalt at bruge lys til utallige applikationer, herunder biologisk billeddannelse, magnetisk feltføling og endda detektion af gravitationsbølger."

Forskerne siger, at der er nogle teknologiske aspekter at tage fat på, før deres tilgang kan blive en go-to-metode til at spore enzymatiske reaktioner. For eksempel, lystab er en stærkt begrænsende faktor, men de håber, at deres arbejde vil være med til at anspore teknologiudvikling, der kunne løse dette problem.